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Theses Year : 2010

Comprehensive study of cutting phenomena for Titanium alloys Ti6Al4V and CFRP stacks drilling in dry condition

Compréhension des mécanismes de coupe lors du perçage à sec de l'empilage Ti6Al4V/Composite fibre de carbone

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Abstract

Titanium alloys and CFRP structure parts are more en more used in aerospace and aircraft industries. They have an excellent combination of strength and fracture toughness as well as low density. Now in most case, theses work materials are stacked and have to be drill in one shot operation during the assembly operation. In dry cutting conditions, technologic and scientific problems are complex to solve. The first part of the study proposed a thermal balance analyze in the titanium part. The objective is to reduce the heat produce by the cutting edge and the margin so as to limit thermal damage of the composite part below. By experimental and numerical approaches, intensive work elastic recovery and thermal contraction of the inner wall has been underlined. These phenomena on the margin/work piece interface represent 50% of the global heat consumption. A complementary tribological investigation is done to estimated frictions coefficient and heat partition ratio at the interface to model and reduce the mechanical and thermal consequences induced on the inner wall. The last part of the study deal with carbon fiber cutting at different scales to improved the knowledge in this area. Drill geometry, coating and cutting parameters influences are analyzed to avoid the major defaults as exit délamination. Thanks to these works, bi-competence drill has been proposed with respect of work material surface integrity, environment and tool life criteria.
Les exigences du secteur aéronautique incitent les constructeurs à intégrer une part croissante d'alliages de titane Ti6Al4V et de composites à fibres de carbone maintenues dans résine époxyde pour alléger les pièces de structures tout en conservant d'excellentes propriétés mécaniques. Ces matériaux sont empilés et percés en une seule opération au moment de l'assemblage des appareils. Les verrous technologiques et scientifiques sont complexes dès lors que l'opération de perçage a été réalisée à sec. Dans la partie titane, un bilan thermique complet de la zone de coupe est établi pour limiter la production de chaleur et éviter la diffusion vers la partie composite. Il est montré qu'un phénomène de retreint de la surface du trou sur le foret est responsable d'environ 50% de la consommation énergétique de l'opération. Les mécanismes de retour élastique et de retreint thermique ont pu être mis en évidence par démarche expérimentale et numérique. Une étude tribologique est menée dans les zones de contact pièce/outil et copeau/outil pour quantifier et modéliser les contributions mécaniques (coefficient de frottement) et thermiques (coefficient de partage de la chaleur) aux interfaces. Ces données seront utilisées pour la simulation des effets thermomécaniques induits sur la pièce et le foret. Dans la partie composite, une étude expérimentale macroscopique est menée en premier lieu pour enrichir les connaissances dans ces matériaux caractérisés par des comportements très hétérogènes. Puis une analyse de la coupe des fibres à l'échelle mésoscopique est proposée pour identifier les mécanismes à l'origine du refus de coupe et du délaminage. A l'issue de ces études un outil bi-compétence a pu être mis au point. L'optimisation de la géométrie des listels, l'apport d'un revêtement diamant CVD anti-abrasion et le choix de conditions de coupe adaptées à chacun des matériaux, garantissent le respect de la qualité et des contraintes environnementales de l'usinage à sec.
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Dates and versions

pastel-00540551 , version 1 (27-11-2010)

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  • HAL Id : pastel-00540551 , version 1

Cite

Cédric Bonnet. Compréhension des mécanismes de coupe lors du perçage à sec de l'empilage Ti6Al4V/Composite fibre de carbone. Génie mécanique [physics.class-ph]. Arts et Métiers ParisTech, 2010. Français. ⟨NNT : 2010ENAM0033⟩. ⟨pastel-00540551⟩
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